Терменвокс по-русски

Мы постоянно добавляем новые материалы на сайт и мы постоянно нуждаемся в вашей помощи.

Пожалуйста, помогите нам с переводом материалов на русский язык.

Переведите пару абзацев >>

Терменнот, или Терменвокс на микроконтроллере

С. Суров. Журнал: «Радио», №12, 2013 год, стр. 21-24

Похожая статья выходила в журнале Радиолюбитель, №4, 2014 год, стр. 18-21.

Когда автора и его дочь заинтересовал электромузыкальный инструмент Терменвокс, они изготовили его по схеме Л. Д. Королёва, опубликованной в [1]. Но оказалось, что извлекать из терменвокса звуки точной тональности довольно сложно. Для этого нужно обладать хорошим музыкальным слухом. Было решено создать инструмент, похожий на Терменвокс по принципу управления тональностью и громкостью звука, но генерирующий сигналы только фиксированных частот – нот стандартного музыкального звукоряда.

Внешний вид созданного инструмента, названного терменнотом, показан на рис. 1, а его принципиальная схема изображена на рис. 2. Основной элемент – микроконтроллер ATmega88-20PU (DD1), тактовая частота которого стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1 на 20 МГц.


Рис. 1. Внешний вид музыкального инструмента.

Программированием разряда конфигурации CKOUT на вывод 14 микроконтроллера выведены импульсы, следующие с тактовой частотой. Через конденсатор СЗ они поступают на колебательный контур, образованный катушкой индуктивности L2, конденсатором С5 и варикапом VD1. Переменным резистором R1 регулируют напряжение смещения, подаваемое на варикап, точно настраивая контур на частоту 20 МГц. Фильтр R2C1 препятствует проникновению высокочастотных колебаний в цепь настройки. К контуру подключена штыревая антенна WA2.


Рис. 2. Принципиальная схема терменнота.

Напряжение на контуре после выпрямления диодом VD3 через фильтр L4C9 и подстроечный резистор R5 поступает на вывод 27 микроконтроллера, сконфигурированный как вход встроенного в него АЦП. Пока исполнитель не поднёс руку к антенне WA2, напряжение на контуре и, соответственно, на входе АЦП имеет максимальное значение, при котором программа микроконтроллера не генерирует звуковые сигналы.

Когда исполнитель подносит к антенне WA2 руку достаточно близко, чтобы ёмкость между ней и антенной оказала ощутимое влияние на контур, резонансная частота контура уменьшается. Вследствие этого напряжение на входе АЦП снижается тем больше, чем ближе поднесена рука. В программе микроконтроллера определённым оцифрованным значениям этого напряжения сопоставлены ноты.

По мере плавного приближения руки к антенне терменнот поочерёдно воспроизводит 48 нот четырёх октав – малой, первой, второй и третьей (по семь основных и пять производных в каждой). Частота самой низкой из них (нота до малой октавы) – 130,81 Гц, самой высокой (си третьей октавы) – 1975,5 Гц. При обратном движении руки ноты перебираются в обратном порядке. Синусоидальный сигнал звуковой частоты формируется по принципу прямого цифрового синтеза (DDS – Direct Digital Synthesis). Освоить его при разработке терменнота мне помогла статья [2], которая поможет разобраться в работе DDS.

Обрабатывая следующие с частотой 250 кГц (через каждые 4 мкс) запросы прерывания от таймера Т1, программа формирует на выходах PD0–PD7 и РВ1 микроконтроллера девятиразрядные цифровые отсчёты синусоиды. Их преобразует в аналоговую форму десятиразрядный ЦАП КР572ПА1 (DA4), младший разряд которого не используется. Применена нетиповая схема включения микросхемы ЦАП, что позволило отказаться от источника минусового напряжения для её питания. Напряжение +9 В подаётся на микросхему DA4 от интегрального стабилизатора DA2 через фильтр C13C19L5C21C23. Образцовым для ЦАП служит напряжение +3,3 В с выхода интегрального стабилизатора DA3, прошедшее фильтр C31C34L6C39C35.

С вывода 15 ЦАП звуковой сигнал через фильтр C28R13C32, подавляющий паразитные спектральные составляющие, расположенные выше половины частоты дискретизации 250/2=125 кГц, и регулятор начальной громкости R17 подан на вход микросхемы УМЗЧ TDA2003 (DA5), включённой по типовой схеме. Она установлена на небольшом теплоотводе. Нагрузкой усилителя служит широкополосная динамическая головка ВА1 мощностью 5 Вт с сопротивлением звуковой катушки 8 Ом.

В процессе игры на терменноте исполнитель имеет возможность изменять громкость звучания, поднося левую руку к антенне WA1, представляющей собой петлю из металлической трубки. Управление происходит по тому же принципу, что и выбор нот. Колебательный контур L1C4, к которому подключена антенна WA1, настроен ферромагнитным подстроечником катушки L1 в резонанс с сигналом частотой 20 МГц, подаваемым на контур через конденсатор С2. Выпрямленное диодом VD2 напряжение через фильтр L3C8 и подстроечный резистор R4 поступает на вывод 28 микроконтроллера, сконфигурированный как ещё один вход АЦП.

Пока исполнитель не поднёс к петле руку, напряжение на этом входе имеет максимальное значение и установлена наибольшая громкость звука.

Поднося руку к петле, исполнитель ступенчато уменьшает громкость. Отводя руку, он также ступенчато её увеличивает. Всего предусмотрены пять ступеней громкости. В программе снижение громкости на каждую ступень реализовано сдвигом цифровых значений, предназначенных для вывода в ЦАП, на один двоичный разряд вправо с заполнением старшего разряда нулём, что равнозначно делению на два. Минимальной громкости соответствуют четыре таких сдвига, что соответствует делению на 16.

Для индикации состояний терменнота в нём имеются пять светодиодов:

  • HL1 показывает, что установлена максимальная громкость;
  • HL2 включён, когда колебательный контур антенны WA2 правильно настроен, но рука исполнителя слишком далека от неё и терменнот не издаёт звука;
  • HL3 включён, когда терменнот генерирует звук;
  • HL4 сигнализирует, что достигнута самая высокая нота (си третьей октавы);
  • HL5 показывает, что питание инструмента включено.

 

Печатная плата для терменнота не разрабатывалась. Он собран на макетной плате, как показано на рис. 3. Оксидные конденсаторы С10–С12, С31, С39 – танталовые для поверхностного монтажа в корпусе типоразмера А. Остальные оксидные конденсаторы – алюминиевые для обычного монтажа. Все керамические конденсаторы и постоянные резисторы – типоразмера 0805 для поверхностного монтажа. Подстроечные резисторы R4 и R5 – импортные многооборотные.


Рис. 3. Терменнот на макетной плате.

Катушки L1 и L2 содержат по 8,5 витков провода диаметром 0,35 мм в эмалевой изоляции, намотанных виток к витку на каркасах с внешним диаметром 5 мм, имеющих внутреннюю резьбу для ферромагнитного подстроечника. После намотки витки катушки следует залить расплавленным парафином. В качестве L3–L6 применены стандартные дроссели.

Диоды с барьером Шотки 1N5711 можно попробовать заменить другими маломощными высокочастотными кремниевыми диодами, но автор этого не проверял.

Плата помещена в пластмассовый корпус ВОХ-22 размерами 250×190×79 мм. В нём же находятся динамическая головка ВА1 и сетевой стабилизированный источник постоянного напряжения 12 В. Пригоден любой источник такого напряжения с допустимым током нагрузки не менее 1 А.

Ёмкость, вносимая в колебательные контуры инструмента приближением рук исполнителя к антеннам WA1 и WA2, зависит от формы и размеров этих антенн. Поэтому их следует строго соблюдать при изготовлении.


Рис. 4. Штыревая антенна.

Антенна WA2 (рис. 4) – штыревая диаметром 7 мм телескопическая, но используется в сложенном виде, когда её длина вместе с шарниром – 170 мм. Она закреплена винтом на металлической полоске размерами 60×10×0,5 мм, согнутой в виде буквы П, которая, в свою очередь, установлена внутри корпуса на металлических стойках высотой 45 мм. Под винт, крепящий шарнир антенны к полоске, подложен контактный лепесток, к нему припаян провод длиной 50 мм, соединяющий антенну с колебательным контуром на плате.


Рис. 5. Антенна WA1.

Антенна WA1 представляет собой петлю из латунной трубки, имеющей внешний диаметр 9 мм. Размеры петли показаны на рис. 5. В торцы трубки впаяны гайки М4 для её крепления к корпусу терменнота. Под один из крепёжных винтов подложен контактный лепесток с припаянным к нему экранированным проводом длиной 260 мм, соединяющим антенну с колебательным контуром. Экранирующая оплётка соединена с общим проводом только с одной стороны вблизи колебательного контура. Сверху на неё надета термоусаживаемая трубка.

Переменные резисторы R1 и R17 установлены на передней панели корпуса инструмента, каждый соединён с монтажной платой тройкой свитых проводов, помещённых в общий экран. Экраны соединены с общим проводом только на плате. Сверху на них надеты термоусаживаемые трубки.

Собранный инструмент закреплён на штативе BENRO Т-600ЕХ, предназначенном для фото- и видеокамер. Для уменьшения влияния алюминиевой треноги центральный стержень штатива полностью поднят.


Рис. 6. Конфигурация микроконтроллера.

Для загрузки программы в микроконтроллер через разъём ХР1 использовалась программа PonyProg2000. Конфигурация микроконтроллера должна быть установлена в соответствии с рис. 6.

Налаживание терменнота выполняют после его полной сборки в корпусе, установки в панель на плате запрограммированного микроконтроллера и подключения обеих антенн. Инструмент должен быть установлен на штативе.

Приступая к налаживанию, ручку управления переменным резистором R1 необходимо установить в среднее положение, а движок подстроечного резистора R5 – в верхнее по схеме. Стараясь держать руки и измерительный прибор как можно дальше от антенны WA2, вращением подстроечника катушки L2 добиваются максимального постоянного напряжения на конденсаторе С9. У автора оно оказалось около 3 В. Когда максимум напряжения найден, светодиод HL2 должен гореть. Теперь, вращая движок подстроечного резистора R5, находят границу, при пересечении которой светодиод HL2 гаснет, включается светодиод HL3, а динамическая головка ВА1 начинает воспроизводить звук. Окончательно движок подстроечного резистора устанавливают на половину оборота выше этой границы.

Далее подстроечником катушки L1 настраивают контур регулировки громкости, предварительно установив движок подстроечного резистора R4 в верхнее по схеме положение. Вращая этот подстроечник, добиваются максимального напряжения на конденсаторе С8. У автора оно было около 2 В. Когда максимум найден, светодиод HL1 должен гореть. Находят положение движка подстроечного резистора R4, при котором этот светодиод гаснет. Затем перемещают движок на половину оборота в обратном направлении. Светодиод HL1 вновь должен включиться.

По завершении настройки подстроечники катушек фиксируют в найденных положениях каплями расплавленного парафина.

Перед началом игры на терменноте переменным резистором R1 точно настраивают контур выбора ноты, добиваясь, чтобы светодиод HL2 был включён, а звук отсутствовал, пока рука исполнителя не поднесена к антенне WA2.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Королёв Л. Терменвокс. – Радио, 2005, № 8, с. 49–51; № 9, с. 48–51.
  2. Ридико Л. Низкочастотный генератор синусоидального сигнала с шагом сетки 0,01 Гц. – Схемотехника, 2001, № 2, с. 10–13.

От редакции. Программа микроконтроллера имеется по адресу ftp://ftp.radio.ru/pub/2013/12/termennot.zip на нашем FTP-сервере.

С. СУРОВ, г. Нижний Новгород